灭火机器人设计报告.doc

灭火机器人设计 系系 别：信息与控制系别：信息与控制系 班班 级：自动级：自动 06020602 班班 姓姓 名：王健（名：王健（0606106506061065）孙祥勋）孙祥勋 （0606104706061047） 指导老师：赵勇指导老师：赵勇 20092009 年年 7 7 月月20092009 年年 9 9 月月 目目录录 第一章第一章 引言引言 .1 1.1 课题背景 .1 1.2 实现功能.1 1.3 模拟房子介绍.1 第二章第二章 系系统统整体方案整体方案设计设计 .2 2.1 系统硬件设计.2 2.2 系统软件设计.2 第三章第三章 硬件硬件设计设计 .3 3.1 电源管理模块 .3 3.1.1稳压芯片LM7805CV、LM7812CV .3 3.1.2电源模块电路原理图3 3.2 电机驱动芯片 L298N 4 3.2.1 L298N的逻辑功能：4 3.2.2外形及封装：4 3.2.3 L298N电路原理图：5 3.3 避障检测传感器 HS0038.5 3.3.1 HS0038简介：5 3.3.2 HS0038特点：5 3.3.3 检测原理：.5 3.3.4 HS0038与单片机连接原理图：6 3.4 地面灰度检测传感器 ST188.6 3.4.1 ST188特点：.6 3.4.2 检测原理：.6 3.4.3 应用范围：.6 3.4.4 外形尺寸（单位mm）：.6 3.4.5 ST188原理图：.7 3.5 火焰传感器 .7 3.5.1火焰传感器使用7 第四章第四章 软软件件设计设计 .8 4.1 灭火机器人行进路线分析.8 4.2 软件流程图.9 第五章第五章 调试记录调试记录及及实验实验心得心得 .10 5.1 调试记录.10 5.2 实验心得.10 参考文献参考文献 .12 附附录录 1: 程序清程序清单单.13 附附录录 2: 灭灭火机器人火机器人实实物物图图及及灭灭火火场场地地.26 第一章第一章 引言引言 1.1 课题背景 随着社会的进步，机器人技术的不断发展使得机器人的应用领域不断扩展，从以往多 应用于工业领域而渐渐融入人们的生活。灭火机器人作为消防部队中的新兴力量，加入了 抢险救灾的行列。灭火机器人是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统，代 表了智能机器人系统的发展方向。 1.2 实现功能 制造一个自主控制的机器人在一间平面结构房子模型里运动，找到一根蜡烛并尽快将 它熄灭，这个工作受地面摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦、 电压变化等多个因素影响，它模拟了现实家庭中机器人处理火警的过程，蜡烛代表家里燃 起的火源，机器人必须找到并熄灭它。 1.3 模拟房子介绍 模拟房子平面图单位：mm 图 1.1 灭火机器人比赛场地（国际赛制） 比赛场地的墙壁 33cm 高，由木头做成。墙壁刷成白色。比赛场地的地板将是被漆成黑 色的光滑木制表面。在所有的房间和走廊的地板上，可能会铺有小地毯，不会有粗毛地毯。 场地中所有的走廊和门口宽都是 46cm。门口并没有门，而是一个 46cm 的开口，将会有一 个白色的 2.5cm 宽的白色带子或白漆印迹表示房间入口。 第二章第二章 系统整体方案设计系统整体方案设计 2.1 系统硬件设计 本次设计的目的是设计一个在规定区域能自主搜索火源并实施灭火的智能机器人小车， 本次设计使用的主控芯片使用了 STC89C52 单片机，所以设计重点在传感器和电机驱动上。 系统总体设计框图如图 2.1： MCU 小车电 机驱动 传感器 模块 传感器 模块 电源部分 风扇 电机 图 2.1 系统总体设计框图 2.2 系统软件设计 软件设计方案是以上述硬件电路为基础的，包括电机控制模块、传感器模块的程序设 计与实现。程序设计采用 C 语言编写，编程环境是集成 Keil C51 编译器的集成编译环境。 灭火机器人设计的软件设计结构框图如图 2.2 所示。 灭火机器 人系统软 件框图 电机控 制模块 传感器 模块 转弯程序 前进程序 停止程序 ST188 程序 HS0038 程序 火焰程序 图 2.2 系统软件设计框图 第三章第三章 硬件设计硬件设计 3.1 电源管理模块 电源是任何一个系统稳定运行的前提条件，为了使机器人运行稳定，单片机和电机的 供电系统采用独立供电的方法。 3.1.1 稳压芯片 LM7805CV、LM7812CV LM7805CV 的技术指标如下表： 表 3-1 稳压芯片 7805 参数 LM7812CV 的技术指标如下表： 表 3-2 稳压芯片 7812 参数 3.1.2 电源模块电路原理图 由于单片机及所有的传感器系统供电采用的是 5V 的电源，而车体要良好的运行电机 的供电电压应该达到 12V，所以在电源的处理上采用了稳压芯片 7805CV 和 7812CV。 图 3.1 电源部分电路图 3.2 电机驱动芯片 L298N L298N 是 SGS 公司的产品，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的 专用驱动器，即内含二个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信 号，可驱动 46V、2A 以下的电机。其引脚排列如图 1 中 U4 所示，1 脚和 15 脚可单独引出 连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298 可驱动 2 个电机，OUT1、OUT2 和 OUT3、OUT4 之间分别接 2 个电动机。5、7、10、12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转， ENA，ENB 接控制使能端，控制电机的停转。也利用单片机产生 PWM 信号接到 ENA，ENB 端子，对电机的转速进行调节。 3.2.1 L298N 的逻辑功能： 表 3-3 SHARP GP2D12 实物图 3.2.2 外形及封装： 图 3.2 L298N 实物图 3.2.3 L298N 电路原理图： 由于一片 L298N 可以直接驱动两个电机，但是为了加大驱动力，我们采用两路并联的 方式来驱动电机。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:27-Nov-2008Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministrator人人人人人人人人人人人人人.DdbDrawn B y: IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 EN A 6 EN B 11 GN D 1 GN D 15 GN D 8 VS S 4 VC C 9 OU T1 2 OU T2 3 OU T3 13 OU T4 14 U1 L298N A - + MG 1 MO TOR RIGH T A - + MG 2 MO TOR LEFT D1 4007 D5 4007 D3 4007 D4 4007 D2 4007 D7 4007 D8 4007 D6 4007 1 2 3 4 5 6 J1 人人人人人 P3.1 P3.3 P3.5 P3.7 P4.2 P4.4 IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 EN A 6 EN B 11 GN D 1 GN D 15 GN D 8 VS S 4 VC C 9 OU T1 2 OU T2 3 OU T3 13 OU T4 14 U2 L298N +12V +12V +12V +12V +5V +5V 动 动 动 动 动 动 IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 EN A 6 EN B 11 GN D 1 GN D 15 GN D 8 VS S 4 VC C 9 OU T1 2 OU T2 3 OU T3 13 OU T4 14 U3 L298N A - + 人人人人 动 动 动 动 动 动 1 2 3 J2 CO N3 P5.7 GN D +5V 图 3.3 L298N 电路图 3.3 避障检测传感器 HS0038 3.3.1 HS0038 简介： HS0038B -系列微型接收机红外遥控器控制系统。 PIN 二极管和前置上组装引线框架， 环氧包被设计成红外过滤器。该解调输出信号可直接解码的微处理器。HS0038B 是标准的 红外遥控接收器系列，支持所有主要传输代码。 3.3.2 HS0038 特点： 1、光检测器和放大器一体封装 2、内部可集成 PCM 频率过滤器 3、与 TTL 和 CMOS 电平兼容 4、改进的屏蔽电场，抗干扰能力强 3.3.3 检测原理： 红外发射管发射出经过调制过的 38KHZ 的红外光，当前方没有障碍物时，接收器收不 到红外光，相反当前方有障碍物时，接受器可以收到红外光。根据此原理，机器人可以感知 前方的路况从而决定是否前行。 3.3.4 HS0038 与单片机连接原理图： 图 3.4 HS0038 电路 3.4 地面灰度检测传感器 ST188 3.4.1 ST188 特点： 1、采用高发射功率红外二极管和高灵敏度光电晶体管组成。 2、检测距离可调整范围大，4-13 mm 可用。 3、采用非接触方式。 3.4.2 检测原理： ST188 是红外收发一体的器件，发射管发射出红外光线，接收管就可以根据接收的红外 光线的强弱，感知地面的灰度。由于此模拟房间的地面被处理成为黑白两种颜色，通过比较 器设置灰度的门限值，可以很方便的感知地面的颜色，从而做出相应的决策。 3.4.3 应用范围： 1、IC 卡电度表脉冲数据采样。 2、集中抄表系统数据采集。 3、传真机纸张检测。 4、地面灰度检测，正反转速测量、行程测量等。 3.4.4 外形尺寸（单位 mm）： 图 3.5 ST188 实物图 3.4.5 ST188 原理图： 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberR evisionS ize B Date:18-Oct-2008S heet of F ile:C :PR OGR AM F ILES DES IGN E XPLOR ER 99 S EEXAM PLES M yDesign.ddbDrawn B y: U1 S T188 R 1 120R R 2 10K R 5 R ES 2 R 3 1K VC C 1 2 67 8 U2A LM 324 116 2 R 4A 10K D1 LED VC C VC C Port VC C 图 3-6 ST188 电路图 3.5 火焰传感器火焰传感器 此传感器本品可广泛应用于灭火机器人比赛中测量火焰值、足球比赛时，用于确定足 球的方向。下图为火焰传感器实物图。 图 3.7 火焰传感器实物图 3.5.1 火焰传感器使用 此传感器具有优良的火焰探测性能，可根据可见光、红外光强弱变化输出电平的大小。 其输出端口是一个四针的插头，其中黑色线为地线、红色线为电源线（+5V）、黄色线为信号 线，用于输出测量的红外光强度电平、棕色线为信号线，用于输出可见光强度电平。 第四章第四章 软件设计软件设计 4.14.1 灭火机器人行进路线分析灭火机器人行进路线分析 当小车处于起点，小车要开始搜索房间有两种路径可以选择，一是不过台阶，绕着 4 号 房间向外搜索。二是直接过台阶，然后开始搜索。显然直接过台阶可以节省很多的时间，路 径更短，因为我们制作的小车为履带结构，结合我们小车的特点和前面分析，我们选择过台 阶。 过台阶后，小车处于 3 号和 4 号房间中间，由图可知，沿着右走的方案比较好，因此我 们采用是右手规则，首先搜索的是 3 号房间，如图中的红色箭头。当在 3 号房间发现火源时， 小车进入房间并灭火，灭火后按原路返回；如没有发现火源，小车继续按右手规则搜索房间， 直到搜索 4 号房间，不管有没有搜索到火源，从 4 号房间出来都绕着 4 号房间返回起点，因 为回家过程中的时间不记入总时间，而绕行比较安全，小车比较好控制。 1 2 3 4 灭灭火火路路线线回回家家路路线线 图 4.1 灭火机器人行进路线 4.24.2 软件流程图软件流程图 开开始始 搜搜索索3 3号号房房间间 是是否否有有火火 搜搜索索2 2号号房房间间 是是否否有有火火 搜搜索索1 1号号房房间间 是是否否有有火火 搜搜索索4 4号号房房间间 是是否否有有火火 灭灭火火 火火已已灭灭 3 3号号房房间间回回家家 4 4号号房房间间回回家家 停停止止 灭灭火火 火火已已灭灭 2 2号号房房间间回回家家 灭灭火火 火火已已灭灭 3 3号号房房间间回回家家 灭灭火火 火火已已灭灭 3 3号号房房间间回回家家 是 是 是 是 否 否 否 否 否 否 否 否 是 是 是 是 图 4.2 灭火小车软件设计流程图 第五章第五章 调试记录调试记录及实验心得及实验心得 5.15.1 调试记录调试记录 前方传感器检测最佳距离 12cm ，500R 的电位器逆时钟旋转可加大发射管的发射功率， 检测距离可变远。 地面灰度传感器：测试距离 2.5cm,黑地面输出电压 1.3-1.5V；白纸输出 3.8-4.5V； 前方火焰传感器最远测试距离 2.5m，此次使用有效距离 0.8m，输出电压 0.6V，探测角 度+30。 转弯： 动作延时常数动作延时常数 原地右转 90 60 原地左转 90 60 右后转 180 110 左后转 180 110 电池电压:5V 供电的电压不得低于 7.2V，12V 供电的电压不得低于 14.5V（在 15.7V 左 右电机运行最稳定）。 5.25.2 实验心得实验心得 王健：王健： 本次的灭火机器人小车设计主要涉及到单片机开发、机器人组成和原理、电机与驱动、 传感器知识及程序算法设计等。使用最多的是传感器，因为传感器是机器人的眼睛，只有传 感器正确的识别道路，机器人才能正确搜寻房间。所以在硬件设计的时候，遇到的问题比较 少，设计也比较顺利，主要是调试过程中遇到的问题比较多。 在智能车的设计中，电源部分可以说是核心的核心，电源设计显得尤为重要，特别是使 用电池供电的系统。电池在充电后，电压会变的很高，额定 7.2V 电压冲完电电压会达到 8.5V，但在使用初，电压降的会很快，对系统的稳定性造成很大威胁，所以必须使用稳压芯 片，并且电池电压（正常供电时电压）至少应该比稳压芯片输出电压高 2V；另外，电源部分 的滤波电容也是非常重要的，一般采用 10uF 的电解电容和 104 瓷片电容构成滤波电路。稳 压芯片的采用虽然能减小电压的波动，但是并不能消除。所以，电压的变化还是对机器人的 运动有一定的影响。 此外，由于地面的摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦等因 素，控制机器人直行和转 90 度有一定的难度，要经过反复的调试、降低机器人的速度、通 过传感器矫正等才能达到比较精确的控制。所以在做的过程中，选择一个好的、稳定的车模 是必须的，经过几个对不同的车模进行对比后，最终选择了牺牲速度来达到其稳定性的要 求，因为稳定性也同样重要。 通过这次比赛，我不仅学到的好多知识，而且锻炼了我分析问题和处理问题的能力及 组织策划能力。同时，一个人的能力及思想是有限的，团结就是力量，通过这次合作，进一 步加强了我们的团队合作能力。 孙孙祥祥勋勋： ： 通过灭火机器人的制作，我对机器人的组成和原理,传感器有了全新的认识，我熟悉了 整个机器人的制作过程。 在参加灭火机器人比赛前,我们的机器人小车是一个非常成功的作品,在实验室模拟环 境下运行相当稳定,表现也非常出色。下面将主要介绍本次参加比赛的调试经验，以备将来 做进一步的改进. 一、在调试时，尽量在自己的比赛场地调试，虽然在现场比赛时，所有的比赛场地采用 的都是相同的材料，各个部分看起来都是一样的，但是实际中却会有很大差异。如果不在自 己的比赛场地调试，严格来说,现场调试将没有任何意义。 二、在实际比赛时，可以根据实际情况加上各种模式，比如非推测导航模式实际上是在 四号房间边上的巷道加上一个小斜坡，而模糊模式是在起点位置靠左加上两片直径约 5,6 厘米的镜子，其实这些对小车并没有很大的影响。 三、如有可能，尽量采用相关公司的成品小车，这样小车会更稳定，我们也只需要将主 要精力放在程序设计上，这样会增大成功的可能性。 四、在制作小车时,要充分考虑到各种不利情况.这要求制作的机器人的适应能力好,到 达现场时需要调整的参数越少越好. 五、在控制机器人小车精确转弯时一定要使用相关硬件器件进行控制，比如指南针或 者采用好的算法不需要进行精确转弯。同时，最好采用高级一点的单片机，因为我们采用的 是 51 单片机，所以在使用上受到了很大的限制，比如，I/O 口不够充足、不能产生 PWM 方 波、没有 A/D，而且有的还不能在线调试，这些都将会影响你的机器人的性能。 通过本次设计，将我在书本上所学真正应用到实际中，不仅加深了对理论知识的理解， 同时还进行了发散、拓展。同时，我还体会到团队合作的无穷力量。 参考文献参考文献 1 国际赛制机器人灭火比赛规则.PDF 2 李全利、迟荣强. 单片机原理及接口技术. 北京：高等教育出版社，2004.1 3 谭浩强. C 程序设计(第二版). 北京：清华大学出版社，1999.12 4 童诗白、华成英. 模拟电子技术基础(第三版). 北京：高等教育出版社，2003.12 5 康华光. 电子技术基础 数字部分(第四版). 北京： 高等教育出版社，1900.1 6 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛电路设计. 北京：北京航空航天大学出版社， 2006.12 7 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社， 2006.12 8 文艳、谭鸿. Protel 99 SE 电子电路设计. 北京：机械工业出版社，2006.8 附录附录 1:1: 程序清单程序清单 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit ST0=P00; sbit ST1=P01; sbit HS0=P10; sbit HS1=P11; sbit HS4=P12; sbit HS5=P13; sbit c=P15; sbit b=P16; sbit INT=P20; sbit LED1=P21; sbit IN10=P24; /定义左轮电机 sbit ENA=P23; sbit IN11=P22; /定义左轮电机 sbit IN20=P27;/定义右轮电机 sbit ENB=P26; sbit IN21=P25;/定义右轮电机 sbit MOTER=P36; sbit a=P37;/38khz 的方波 用于红外接收 char zuolun45= 10,12,14,16,18, 20,22,24,26,28, 30,32,34,36,38, 40,42,44,46,48, 50,52,54,56,58, 60,62,64,66,68, 70,72,74,76,78, 80,82,84,86,88, 90,92,94,96,100; char youlun45= 10,12,14,16,18, 20,22,24,26,28, 30,32,34,36,38, 40,42,44,46,48, 50,52,54,56,59, 61,62,64,66,68, 70,72,74,76,78, 80,82,84,86,88, 90,89,94,96,100; data int N=0,M=0,H=0; unsigned char zuo,you,t; void delay(uint k); void T_Init(); void turn_left(); void turn_right(); void front(); void stop(); void back(); void huo(); void zhaohuo(uint x); void back_fronts(); void back_room1(); void back_room2(); void back_room3(); void back_room4(); /*/ void T_Init()/定时器初始化 TMOD=0x22;/定时器 0 和定时器 1 都工作在方式 1 16 位定时方式 IP=0X02; TH0=243; TL0=243; TH1=230; TL1=230; EA=1;/开中断 ET0=1; TR0=1;/开定时器 0 ET1=1; TR1=1; /*38KHZ 方波*/ void pwm0038() interrupt 1 a=a; b=b; c=c; /* PWM 方波 */ void Timer1() interrupt 3 ET1=0; N+; M+; if(N100) N=0; if(Nzuo) ENA=0; if(M100) M=0; if(Myou) ENB=0; ET1=1; /*左转子函数*/ void turn_left() IN10=0;IN11=1;/左轮反转 IN20=1;IN21=0;/右轮正转 /*右转子函数*/ void turn_right() IN10=1;IN11=0;/左轮正转 IN20=0;IN21=1;/右轮反转 /*前进子函数*/ void front() IN10=1;IN11=0;/左轮正转 IN20=1;IN21=0;/右轮正转 /*停止子函数*/ void stop() IN10=0;IN11=0;/左轮停转 IN20=0;IN21=0;/右轮停转 /*右转 X 度子函数*/ void right(uint x) int i,j; for(j=x;j0;j-) for(i=6;i0;i-) turn_right(); stop(); delay(10); /*左转 X 度函数*/ void left(uint x) uchar i,j; for(j=x;j0;j-) for(i=6;i0;i-) turn_left(); /*延时函数*/ void delay(uint k) uint i,j; for(i=0;i0;j-) for(i=6;i0;i-) turn_right(); if(!INT) H=1;/有火焰标志置 1 /*检测火焰*/ void Search() Scan(110); if(H) while(INT)/找准火焰方位 turn_left(); stop(); while(!(ST0|ST1) front(); front();delay(10);stop(); MOTER=0;delay(200);/开风扇 MOTER=1; /*搜寻房间一*/ void room1() zuo=zuolun44;you=youlun44; /front(); /delay(65); fronts(); stop(); zuo=zuolun44;you=youlun44; front();delay(70);stop(); Search(); /*搜寻房间二*/ void room2() zuo=zuolun44;you=youlun44; Rectify(); while(HS0 left(110); fronts(); stop(); zuo=zuolun44;you=youlun44; front();delay(70);stop(); Search(); /*搜寻房间三*/ void room3() zuo=zuolun44;you=youlun44; Rectify(); while(HS0 left(115); while(!HS4) front(); right(60); Rectify(); front();delay(110);stop(); Search(); /*搜寻房间四*/ void room4() zuo=zuolun44;you=youlun44; Rectify(); while(HS0 ri